發布日期：2022-10-09 點擊率：101
1引言
隨著國家節能減排政策的提出和工業自動化水平的提高，以及越來越多的廠家要求盡量降低設備的損耗，進而適當減少設備維護費用，如何合理的使用、維護設備已成為關鍵，而單純的采用人工方式記錄設備故障、設備使用時間，以及人工切換設備已經不能滿足上述要求。本文以某煤礦空氣壓縮機遠程監控系統項目為例，采用西門子s7-300系列plc作為數據采集和控制單元，上位機用西門子wincc進行畫面及參數顯示，從plc到中控室工控機采用ethernet協議進行通訊，現場使用觸摸屏顯示控制畫面及參數，操作人員可在中控室或者現場觸摸屏上發出控制命令。
2原理分析
該項目利用空氣壓縮機給煤礦井下提供氣體壓力，推動氣動設備的運行，要求管道內的壓力維持在一定的范圍內，最好不好過壓或者欠壓，以免造成能源的浪費或者現場設備無法使用。由plc采集空氣壓縮機的參數，比如溫度、壓力、運行時間、故障等，上傳到中控室上位機和現場觸摸屏，并接受操作員發出的控制命令，再將相應的命令傳給空壓機，以實現控制功能，并做出相應的報警指示。
3系統設計及實現
該系統主要由空氣壓縮機、plc、i/o模塊、現場觸摸屏、上位機人機界面、網絡通訊等部分組成，系統整體架構如圖1所示。
3.1空氣壓縮機
采用上海申行健有限公司的螺桿式空壓機，它具有結構簡單、體積小、沒有易損件、工作可靠、壽命長、維修簡單等優點。由于其針對維護專門的設計，使得停機時間和維修費用大大減少。并且此空壓機上裝有智能控制系統，控制菜單簡便易用，并配有支持網絡通信的485接口，供外部控制系統與其通信，采集空壓機的溫度、管道壓力、故障信息等，還可以接受外部控制系統的控制命令，設置相應參數以及啟停空壓機。
3.2i/o模塊
本系統中需要控制空壓機電源的接通與關斷等，故需用到數字量輸入模塊，數字量輸出模塊，由于本系統采用西門子s7300系列plc，所以也需訂購相應的300系列的di，do模塊，型號分別有di模塊sm321（訂貨號為6es7321-1bh02-0aa0，di16ⅹdc24v），do模塊sm322（訂貨號為6es7322-1bh01-0aa0，do16ⅹdc24v/0.5a）。另外控制柜上安裝有轉換開關，可以選擇在本地或者遠程控制該電源的接通與否，該轉換開關作為輸入信號，接入plc的di模塊。
3.3plc單元與網絡通訊單元
本文利用中小型的西門子s7-300系列plc即可完成空壓機參數的實時掃描和運算，并傳送信息到中控室上位機以及現場觸摸屏，另外結合操作人員在上位機和觸摸屏發出的控制命令，對空壓機的啟停等進行控制。s7-300系列plc采用模塊化設計，具有模塊擴展和功能配置簡單等特點，可以根據不同的需要靈活組合和擴展。此處選用315-2dp型號的cpu，此cpu集成有mpi和dp通信接口，有很強的通訊功能。
從現場plc到中控室工控機距離很遠，此處采用ethernet協議進行網絡通信，所以還訂購了以太網通訊模塊（cp343-1），其具有rj-45接口，通過光纖鏈路模塊經過光纖連接到中控室所在的以太網，將plc采集到的信息上傳到上位機，并將上位機發出的控制命令傳送到plc。
通過plc cpu上的profibusdp接口，連接到profibus轉modbus協議轉換模塊（pb-b-mm），再連接到兩臺空氣壓縮機以及控制柜上多功能電力監測儀表的modbus接口，來讀取空氣壓縮機的運行參數和多功能電表的電流電壓功率等電力狀態數據，以及向空壓機發送啟停命令等。
觸摸屏采用縱橫科技的tpc070td觸摸屏，它兩個com口，其中一個是rs232口，另一個即可當做rs232，又可以用作rs485來通訊。同時還帶有兩個usb口，一個10m/100m自適應rj45以太網接口。此縱橫科技的觸摸屏是一套以嵌入式低功耗cpu為核心的高性能嵌入式人機界面，采用7英寸高亮度tft液晶顯示屏，四線電阻式觸摸屏，同時還預裝微軟嵌入式實時多任務操作系統wince和免費捆綁hmibuilder嵌入版組態軟件無線點。
從plc到觸摸屏的通訊采用mpi網絡，使用西門子專用的pcadapter連接電纜，連接cpu的mpi端口和觸摸屏的rs232口（筆者認為此處也可以選用以太網通訊方式，通過300系列的以太網模塊連接觸摸屏的rj45接口，但實際使用情況未采用，可行性有待試驗確定）。
3.4人機界面（hmi）
人機界面在工控機上采用西門子wincc組態軟件，用來顯示空氣壓縮機的所有參數信息，故障報警信號，以及主電源三相電流的大小，電壓的大小，還有控制回路上的交流接觸器的吸合狀態等等。必要時操作人員還可以從上位機發出控制空壓機啟停，主回路接觸器吸合斷開的命令，讓操作人員可以在中控室直接手動控制現場設備。在上位機服務器上，記錄著各種報警信息及故障發生時的詳細信息等，可按時間進行查詢，并根據需要進行打印輸出。
觸摸屏的畫面組態由生產廠家自己開發的hmibuilder軟件來編輯形成，在其畫面上也有基本相同的參數信息，報警信號，以及溫度曲線等，也可以從觸摸屏上發出相應的控制命令。觸摸屏部分畫面如圖2所示。
wincc提供在工業上用于圖形顯示、信息處理、歸檔和報表的基本功能模塊，還提供用戶文檔、過程控制軟件包和開放開發工具等可選軟件包。其強大的驅動程序接口、快速圖形更新和安全歸檔功能具有很高的可能性，結構化的數據存儲方式保證無論是組態生產的數據和運行過程的數據都可準確無誤的讀取。
4程序設計
plc編程軟件使用西門子專用的編程軟件step7，它是基于WINOOWs 2000/xp或者WINOOWs server2003的為s7-300/400 plc配置和編程的標準軟件包。通過step 7用戶可以進行系統配置和程序的編寫、調試、在線診斷plc硬件配置狀態、控制plc的運行狀態和i/o通道的狀態等。
根據廠家要求，plc需要完成對空壓機的本地和遠程控制，并且默認情況下是本地控制，只有在本地觸摸屏上點擊遠程控制按鈕后，設備的控制權才轉交給遠程上位機來完成。現場有兩臺相同的空壓機，為合理利用設備，避免因長時間使用同一臺空壓機造成機器的損耗，要求程序進行定時切換工作，即每隔12小時自動切換兩臺空壓機的主從關系。同時為保證管道內達到要求的空氣壓力，需要實時采集壓力參數，當壓力值低于一定水平時，同時開啟兩臺壓風機，當壓力值高于一定水平時，關閉輔助的空壓機。當有故障報警時，自動關閉空氣壓縮機，并在觸摸屏及上位機顯示報警信息（見圖3）。
5結束語
此控制系統的設計成功，提高了工廠內設備運行的自動化程度，降低了設備的維護費用。此系統目前的缺點是控制任務由基本獨立的兩套plc系統來完成，造成了資源的浪費。主要是由于空氣壓縮機廠家自帶的plc沒有額外的處理功能，不能處理與上位機以及其他設備通信控制的能力，另外此套系統成本也挺高。
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